Biotecnología industrial: el concepto de biorrefinería.

(1)

Biotecnología industrial:

el concepto de

biorrefinería.

La biomasa: tipos y

aprovechamientos en

Biorrefinería Lignocelulósica

Juan Carlos Villar

Centro de Investigación Forestal del INIA

(2)

Ácido Láctico

Adhesivos

Aminoácidos

Biofilms

Cargas

Celulosa

Detergentes

Disolventes

Dispersantes

Etanol

Fenoles

Fluidos dieléctricos

Furfural

Lubricantes

Papel y Cartón

Pigmentos

Pinturas

Biorrefinerías y Bio-Productos

Biorrefinería es una industria integrada que:

 Usa biomasa como materia prima

 La transforma integrando una serie de

tecnologías/procesos fisico-mecánicos, temo-químicos,

químicos o biológicos

 Produce un diversos productos como energía,

biocombustibles, productos químicos, materiales,

alimentos o piensos.

 Hace un uso sostenible de los recursos (materias

primas, energía, agua, …)

Polímeros

Recubrimientos

Tintas

(3)

Agricultura:

soja, caña, paja, tallos, podas…

Forestal: chopo, ramas, residuos de podas y

clareos…

Industria y residuos urbanos: papel, lodos

de depuradora, RSU,…

Acuicultura: algas…

Origen de las Materias Primas

en Biorrefinerías

(4)

Principales tipos de

Biorrefinerías*

1. Biorrefinería convencional.

2. Biorrefinería de cereales.

3. Biorrefinería lignocelulósica.

4. Biorrefinería termoquímica.

5. Biorrefinería marina.

6. Biorrefinería forestal.

7. Biorrefinería verde.

8. Biorrefinería de dos plataformas.

9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.

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1. Biorrefinería convencional.

2. Biorrefinería de cereales.

3. Biorrefinería lignocelulósica.

4. Biorrefinería termoquímica.

5. Biorrefinería marina.

6. Biorrefinería forestal.

7. Biorrefinería verde.

8. Biorrefinería de dos plataformas.

9. Biorrefinería catalítica en fase líquida

.

Principales tipos de

Biorrefinerías

Caña de azúcar  Extracción Azúcares Fermentación  Bio-Etanol

Cultivo Oleaginoso  Extracción Aceites  Transesterificacion  Bio-Diesel Cultivos Amiláceos  Sacarificación del Almidón  Fermentación  Bio-Etanol

Biorrefinerías de 1ª Generación

 Limitada diversidad de productos

 Competencia con alimentos

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July 22, 2012 Footer text here 6

1. Biorrefinería convencional.

2. Biorrefinería de cereales.

3. Biorrefinería lignocelulósica.

4. Biorrefinería termoquímica.

5. Biorrefinería marina.

6. Biorrefinería forestal.

7. Biorrefinería verde.

8. Biorrefinería de dos plataformas.

9. Biorrefinería catalítica en fase líquida

.

Principales tipos de

Biorrefinerías

Lignocelulosa: material estructural de las plantas

Compuesto de Celulosa, Hemicelulosas y lignina

Abundante y ubicua

Resistente a la degradación

Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu

Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano

Hemicelulosas (15-30%)

(7)

Métodos de Fraccionamiento

Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu

Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano

Hemicelulosas (15-30%)

Polímero ramificados de Xil, Ara, Glu, Man, Gal

Hot Water hydrolysis

Pressurized hot water at 120-220ºC. Lower temperatures cause poor hydrolysis (hemicelluloses) . Cellulose hydrolysis occurs above 220º.

Alkaline

hydrolysis

Use sodium, potassium or calcium hydroxides. Temperature < 120ºC. Cause delignification. Moderately efficient to remove hemicelluloses

Steam

Explosion

Saturated Steam at 160-250ºC. Rapid decompression after a few minutes. High hemicelluloses hydrolysis while cellulose remains unaltered.

Acid hydrolysis

Use diluted (0.5-4%) mineral acids. Temperature: 120-200ºC. Adequate for sugars production. Hemicellulose hydrolysis increases porosity and favors saccharification.

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Proceso al sulfato (o kraft) de obtención de

pasta de celulosa

22 de julio de 2012 Texto de pie de página aquí 8

Debarking and

chipping

Wood

Causticizing

Green

Liquor

Na

₂

CO

₃

Na

₂

S

CaO

CO

₂

Lime

Furnace

CaCO

₃

Pulp Washers

Recovery Boiler

Black

Liquor

Crude Pulp

Cooking

Digester

Chips

White

Liquor

NaOH

Na

₂

S

Bleaching or

Brown Grades

Na

₂

SO

₄

Tall Oil

Bark

Boiler

CO

₂

CO

₂

(9)

Total Alkaly: c.a. 150 Kg NaOH/t.

LIGNIN

ACETYL GROUPS

URONIC ACIDS

CARBOHYDRATES

Low yield: c.a. 50%

Kraft Pulping

(10)

July 22, 2012 Footer text here

Kraft Pulping

Stages of the delignification

High chemical consumption (40%) at

100-110ºC, and only 10% delignification

Delignification vs. Time

Low Selectivity at

the end of cooking

Initial delignification Bulk delignification Residual delignification

(11)

INIA – CIFOR. Laboratorios de Celulosa y Papel

(12)

Ventajas

• +Productividad

(- 50% tiempo cocción)

• - Lignina residual

(Kappa -70%)

• +Estabilidad en el color

(-88% Ac. Hexenurónicos)

• ≈ Integridad de la Celulosa

• +Blancura

Desventajas

• - Rendimiento Pasta (-10%)

• + Consumo Reactivos

• - Propiedades Mecánicas

Balance

Kraft

SE + Kaft

Pulp produced by batch (Kg)

50

40 Solids in Black Liquor (Kg)

50

40 Sugars production: xil + glu

(Kg)

0

21 Pulp production

(1)

_(%)

₁₀₀

₁₂₈

Calorific value

(2)

_{of black}

liquors (%)

100

68 Energy

(3)

_{in cooking + SE (%)}

₁₀₀

₆₄

(1) Assuming a 60% more of batches by a given period of time (2) Assuming: initial lig/hemic ratio: 1; calorific value hemic= ½ calorific value Lig; hemic. Removal 50% (3) Calculated as directly

proportional to reaction time

Scenario. Medium SE severity; So= 3.56 (13 min.) Cooking time: 60min (25 min. for SE) at 160ºC

(13)

Fraccionamiento de maderas coníferas con

mezclas disolvente - agua

OH

OCH

₃

H

₃

CO

CH

₂

OH

OCH

₃

CH

₂

OH

Guayacilo

Siringilo

Coníferas

Frondosas

---

Frondosas

Coníferas

Celulosa 39– 45 40 -42 Hemicelulosas 18 – 33 18– 28 Xilanos 14 – 27 8 – 9 Gluco-mananos 1 – 3 14– 16 Otras HC 2,0 – 4,2 3,4 - 3,6 Lignina 20 – 30 25 – 32 Extractos 1– 3 2 – 8

(14)

Deslignificación

Con disolventes

Lavado y

Filtración

Destilación

del disolvente

Filtración y

lavado

Lignocelulosa

Disolvente

Agua

Hemicelulosas (aq.) Lignina (ppdo.) Celulosa (sol.) Hemicelulosas (dis.) Lignina (dis.)